CN110256026A - 一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法 - Google Patents

一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法，所述水泥基多孔材料由如下体积份的材料组成：水泥浆体10份，泡沫11‑45份，其中，水泥浆体由如下重量份的原料组成：普通硅酸盐水泥100份、硫铝酸盐水泥12‑25份、粉煤灰30‑65份、铁尾矿渣12‑125份、玻化微珠4‑12份、水70‑124份。本发明把铁尾矿渣作为制备水泥基多孔材料的主要原材料之一，一方面降低了水泥基多孔材料的生产成本，另一方面实现了对铁尾矿渣的综合回收和利用，达到利废、环保的效果。

Description

一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法
技术领域
本发明属于水泥基多孔材料制备领域，具体涉及一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
铁尾矿是选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分。据不完全统计，全世界每年排出的尾矿及废石在100亿t以上。我国现有8000多个国营矿山和11万多个乡镇集体矿山，堆存的尾矿量近50亿t，年排出尾矿量高达5亿t以上。目前，我国的尾矿综合利用率只有7％，堆存的铁尾矿量高达十几亿吨，占全部尾矿堆存总量的近1/3。因此，铁尾矿的综合回收利用问题已受到全社会的广泛关注。
加入铁尾矿渣的水泥基多孔材料是一种利废、环保、低廉的新型建筑材料；这种新型建筑材料具有容重较大、抗压强度高、成本低廉、加工和施工方便等特点，可被应用于管线回填、修建运动场和田径跑道、贫混凝土填层等建筑工程领域。但这种建筑材料也存在一些不足：由于铁尾矿渣本身较重，加入量太大会在水泥基多孔材料硬化前容易下沉，硬化后材料整体分布不均；同时铁尾矿渣的加入使得水泥基多孔材料容重增大，保温隔热性能降低，使其无法很好的应用于建筑节能保温领域。
膨胀玻化微珠是一种无机玻璃质矿物材料，呈不规则球状体颗粒，内部多孔空腔结构，表面玻化封闭，具有质轻、绝热、防火、耐高低温、抗老化、吸水率小等优异特性，是一种环保型高性能新型无机轻质绝热材料。
常规水泥基多孔材料容重低，保温隔热性能好而强度不高，一般广泛应用于建筑节能保温领域，而很少能应用于对承重要求较高的其他建筑领域。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法，加入铁尾矿渣和玻化微珠，降低生产成本、提高材料匀质性、抗压强度和保温隔热性能的前提下，依据水泥基胶凝材料的水化反应机理、铁尾矿渣类非活性混合材的作用机理、玻化微珠类掺合料作用机理以及泡孔数量、大小及均匀性对试样力学性能的影响等原理，结合紧密堆积理论，优化出针对不同地质条件下，具有较高抗压强度和较低导热系数的水泥基多孔材料配合比，在成型湿密度≤1000kg/m3时，抗压强度达到4.5MPa，导热系数≤0.109W/(m2·K)。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料，由如下体积份的材料组成：水泥浆体10份，泡沫11-45份，其中，水泥浆体由如下重量份的原料组成：普通硅酸盐水泥100份、硫铝酸盐水泥12-25份、粉煤灰30-65份、铁尾矿渣12-125份、玻化微珠4-12份、水70-124份、发泡剂1-2份。
本申请研究发现：将玻化微珠加入原有的加铁尾矿渣的水泥基多孔材料中，能大大改善原来材料的性能，一个方面玻化微珠轻质的不规则球状颗粒可以悬浮在水泥基多孔材料中形成骨架，阻止铁尾矿渣的下沉，改善多孔材料泡孔结构；另一方面，玻化微珠自身的多孔结构，使得它的加入会提高材料的保温性能，降低试件的热导率，使其能更好地应用于节能保温领域。
硫铝酸盐水泥是一种快硬早强型水泥，加入它可以使材料具有较高的早期强度，满足一些工程施工完毕后较早投入使用或进行下一道工序的需要。但若此类水泥掺量太大，会使水泥基多孔材料凝结太快，不能满足工程施工要求，因此从节约成本和满足工程施工的凝结时间角度综合考虑，合理控制硫铝酸盐水泥的掺量。因此，在一些实施例中，水泥浆体由如下重量份的原料组成：普通硅酸盐水泥100份、硫铝酸盐水泥20-25份、粉煤灰45-65份、铁尾矿渣65-125份、玻化微珠8-12份、水90-124份，其中，硫铝酸盐水泥的最大加入量为25份，有效地控制了硫铝酸盐水泥的掺量、提高了早期强度、节约了成本。
在一些实施例中，水泥浆体由如下重量份的原料组成：普通硅酸盐水泥100份、硫铝酸盐水泥12-20份、粉煤灰30-45份、铁尾矿渣12-65份、玻化微珠4-8份、水70-90份。
在一些实施例中，所述普通硅酸盐水泥为52.5普通硅酸盐水泥，烧失量不大于5.0wt％；
在一些实施例中，所述硫铝酸盐水泥为快硬性硫铝酸盐水泥，比表面积不小于350m2/kg；
在一些实施例中，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，烧失量不大于8.0％，活性指数不小于70.0％。粉煤灰内含玻璃微珠，加入后在浆体中通过形态效应、火山灰效应和微集料效应的作用机理，改善水泥基多孔材料的性能；同时它的加入可降低材料制备成本。
在一些实施例中，所述铁尾矿渣为工矿企业在选矿过程中选出目的精矿后剩余的矿渣，烘干后，其主要颗粒级配分布如表1所示。铁尾矿渣作为制备水泥基多孔材料的主要原材料之一，一方面降低了水泥基多孔材料的生产成本，另一方面实现了对铁尾矿渣的综合回收和利用，达到利废、环保的效果。
表1：铁尾矿渣颗粒级配
粒径范围 所占比例
＞2.5mm 0-2.0％
1.25—2.5mm 1.0％-4.0％
0.63—1.25mm 2.0％-5.0％
0.315—0.63mm 10.0％-15.0％
0.16—0.315mm 25.0％-35.0％
0.08—0.16mm 35.0％-45.0％
＜0.08mm 10.0％-15.0％
在一些实施例中，所述玻化微珠为Ш级玻化微珠，堆积密度＞120kg/m3，体积吸水率≤45％，表面玻化闭孔率≥80％。玻化微珠是一种呈不规则球状颗粒的无机玻璃质矿物材料，加入水泥基多孔材料后，一方面会增大浆体阻力，另一方面会在浆体中形成小孔隙骨架，从而达到阻止铁尾矿渣在水泥基多孔材料硬化前下沉的效果，实现铁尾矿渣在水泥基多孔材料中的均匀分布，提高材料的整体匀质性。
能够产生泡沫的物质很多，但是并非所有能产生泡沫的物质都能用于泡沫混凝土的生产。为此，本申请经过系统分析和实验摸索发现：在一些实施例中，所述发泡剂的发泡倍率为3000。该发泡剂不仅泡沫稳定，而且不会对水泥基多孔材料的凝结和硬化产生不利影响。
本发明还提供了一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法，包括：
将发泡剂与水混合均匀，形成发泡剂溶液；
向水中加入水泥、粉煤灰、铁尾矿渣、玻化微珠，混合均匀，形成浆体；
将发泡剂溶液打出成型用泡沫；
将部分泡沫加入浆体中并不断搅拌均匀，直至浆体体积达到设定值，制得所需的水泥基多孔材料浆体；
将上述水泥基多孔材料浆体，养护、拆模，即得。
在一些实施例中，所述设定值为测量容重使得湿密度在设计湿密度的±50kg/m3范围内。
本发明还提供了上述的方法制备的水泥基多孔材料。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明把铁尾矿渣作为制备水泥基多孔材料的主要原材料之一，一方面降低了水泥基多孔材料的生产成本，另一方面实现了对铁尾矿渣的综合回收和利用，达到利废、环保的效果。
(2)本发明的材料制备方法简单、现场施工方便，同时也易于规模化生产。
(3)本发明材料抗压强度较高，具有一定的承重能力，可应用于管线回填、修建运动场和田径跑道、贫混凝土填层等建筑工程领域。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1-5、对比例1、2中使用的铁尾矿渣；
图2为实施例1-5、对比例1、2中使用的玻化微珠；
图3为实施例1-5、对比例1、2中使用的发泡剂；
图4为实施例1-5、对比例1、2中使用的泡沫。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，针对目前常规水泥基多孔材料容重低，保温隔热性能好而强度不高的问题，本发明提供了一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法，加入铁尾矿渣和玻化微珠，降低生产成本、提高材料匀质性、抗压强度和保温隔热性能的前提下，依据水泥基胶凝材料的水化反应机理、铁尾矿渣类非活性混合材的作用机理、玻化微珠类掺合料作用机理以及泡孔数量、大小及均匀性对试样力学性能的影响等原理，结合紧密堆积理论，优化出针对不同地质条件下，具有较高抗压强度和较低导热系数的水泥基多孔材料配合比，在成型湿密度≤1000kg/m3时，抗压强度达到4.5MPa，导热系数≤0.109W/(m2·K)。
本发明把铁尾矿渣作为制备水泥基多孔材料的主要原材料之一，一方面降低了水泥基多孔材料的生产成本，另一方面实现了对铁尾矿渣的综合回收和利用，达到利废、环保的效果。
玻化微珠是一种呈不规则球状颗粒的无机玻璃质矿物材料，加入水泥基多孔材料后，一方面会增大浆体阻力，另一方面会在浆体中形成小孔隙骨架，从而达到阻止铁尾矿渣在水泥基多孔材料硬化前下沉的效果，实现铁尾矿渣在水泥基多孔材料中的均匀分布，提高材料的整体匀质性。
铁尾矿渣本身较重，它的加入会增大水泥基多孔材料的容重，同时使水泥基多孔材料具有较高的抗压强度，但此时材料的保温隔热性能较差，而此时再混合加入玻化微珠，由于玻化微珠自身的内部多孔空腔结构，使其能很好地提高材料保温性能，降低热导率，从而实现水泥基多孔材料具有较高抗压强度的同时，兼具良好的保温隔热性能，极大的拓宽了水泥及多孔材料的应用领域。
以下通过具体的实施例对本申请的技术方案进行说明。
以下实施例和对比例中，各原材料的技术指标如下：
发泡剂为YS-10通用型水泥发泡剂，购自：北京亚设建材科技有限公司。
普通硅酸盐水泥为52.5普通硅酸盐水泥，烧失量为4.8％(质量分数)；
硫铝酸盐水泥为快硬性硫铝酸盐水泥，比表面积380m2/kg；
铁尾矿渣为工矿企业在选矿过程中选出目的精矿后剩余的矿渣，颗粒级配见表2；
表2：铁尾矿渣颗粒级配
粒径范围 所占比例
＞2.5mm 0.4％
1.25—2.5mm 1.4％
0.63—1.25mm 2.8％
0.315—0.63mm 13.4％
0.16—0.315mm 30.3％
0.08—0.16mm 40.9％
＜0.08mm 10.8％
粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，烧失量7.8％，活性指数80.0％；
玻化微珠为Ш级玻化微珠，堆积密度125kg/m3，体积吸水率40％，表面玻化闭孔率85％；
发泡剂，与水按1:70的质量比混合，发泡倍率为3000，与水混合发泡后泡沫：
水，pH值为6.7的洁净用水；
实施例1：
配合比设计如下：
水泥浆体配合比设计：普通硅酸盐水泥：硫铝酸盐水泥：粉煤灰：铁尾矿渣:玻化微珠：水＝1:0.25:0.625:1.25:0.114：1.24(质量比)；
水泥浆体：泡沫＝1:1.6(体积比)。
制备方法：
(1)按照事先确定的配合比和水泥基多孔材料的需求量计算原材料用量，然后按照计算用量称量水泥、粉煤灰、铁尾矿渣、玻化微珠、浆体拌合用水、泡沫制备用水、发泡剂等原材料；
(2)将发泡剂与水按1:70质量比例混合均匀；
(3)先将水加入搅拌桶中，再把称量好的水泥、粉煤灰、铁尾矿渣、玻化微珠加入桶中，用冲击式搅拌器搅拌大约2分钟至均匀；
(4)启动发泡机，用发泡机将发泡剂和水的混合液打出成型用泡沫；
(5)将泡沫按照与水泥浆体的设计体积比加入搅拌桶的浆体中，继续搅拌至泡沫和浆体混合均匀(并且在过程中测量容重使得湿密度在设计湿密度的±50kg/m3范围内)，制得所需的水泥基多孔材料浆体。
成型试件形状及尺寸：
立方体试件，尺寸分别为100mm*100mm*100mm(测定力学性能)和300mm*300mm*30mm(测定热力学性能)。
拆模、养护制度：
成型后立即用保鲜膜包覆，放入标准养护箱(温度：20±2℃，湿度：≥95％)养护，在成型后(24±2)h取出拆模，并做好试件标识；继续放入养护箱养护至7d和28d龄期。
测试方法：
湿表观密度：(1)、称取100mm*100mm*100mm的立方体混凝土试模质量m1；(2)、将成型浆体浇筑到100mm*100mm*100mm的立方体混凝土试模内，表面刮平，并称取料浆与试模的共同质量m2；(3)按照ρ湿＝(m2-m1)/V的公式计算成型料浆的湿表观密度；其中m1、m2单位为g，精确至0.1g；V＝100mm*100mm*100mm；ρ湿单位为kg/m3，精确至1kg/m3。
抗压强度：按照JG/T266-2011《泡沫混凝土》标准规定试验方法进行测定；
导热系数：按照GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》标准规定试验方法进行测定。
测定结果：
ρ湿＝979kg/m3，7d抗压强度：1.41MPa，28d抗压强度：2.27MPa，导热系数λ＝0.129W/(m2·K)。
实施例2
配合比设计如下：
水泥浆体配合比设计：普通硅酸盐水泥：硫铝酸盐水泥：粉煤灰：铁尾矿渣:玻化微珠：水＝1:0.25:0.625:1.25:0.114：1.24(质量比)；
水泥浆体：泡沫＝1:4.5(体积比)。
具体的制备、成型、养护及测试方法同实施例1。
性能测定结果：
ρ湿＝512kg/m3，7d抗压强度：0.33MPa，28d抗压强度：0.51MPa，导热系数λ＝0.069W/(m2·K)。
实施例3
配合比设计如下：
水泥浆体配合比设计：普通硅酸盐水泥：硫铝酸盐水泥：粉煤灰：铁尾矿渣:玻化微珠：水＝1:0.125:0.3125:0.125:0.039：0.70。
水泥浆体：泡沫＝1:1.1(体积比)。
具体的制备、成型、养护及测试方法同实施例1。
性能测定结果：
ρ湿＝990kg/m3，7d抗压强度：2.68MPa，28d抗压强度：3.77MPa，导热系数λ＝0.115W/(m2·K)。
实施例4
水泥浆体配合比设计：普通硅酸盐水泥：硫铝酸盐水泥：粉煤灰：铁尾矿渣:玻化微珠：水＝1:0.125:0.3125:0.125:0.039：0.70。
水泥浆体：泡沫＝1:3.2(体积比)。
具体的制备、成型、养护及测试方法同实施例1。
性能测定结果：
ρ湿＝480kg/m3，7d抗压强度：0.79MPa，28d抗压强度：1.23MPa，导热系数λ＝0.047W/(m2·K)。
实施例5：
配合比设计如下：
水泥浆体配合比设计：普通硅酸盐水泥：硫铝酸盐水泥：粉煤灰：铁尾矿渣:玻化微珠：水＝1:0.167:0.42:0.50:0.895：0.94。
水泥浆体：泡沫＝1:1.4(体积比)。
具体的制备、成型、养护及测试方法同实施例1。
性能测定结果：
ρ湿＝986kg/m3，7d抗压强度：3.05MPa，28d抗压强度：4.48MPa，导热系数λ＝0.109W/(m2·K)。
对比例1
配合比设计和制备、成型、养护及测试方法与实施例4基本相同，不同之处在于：配方中不含有玻化微珠。
性能测定结果：
ρ湿＝492kg/m3，7d抗压强度：0.57MPa，28d抗压强度：1.01MPa，导热系数λ＝0.057W/(m2·K)。
对比例2
配合比设计和制备、成型、养护及测试方法与实施例5基本相同，不同之处在于：配方中不含有玻化微珠。
性能测定结果：
ρ湿＝997kg/m3，7d抗压强度：2.87MPa，28d抗压强度：3.97MPa，导热系数λ＝0.120W/(m2·K)。
由实施例1-5的实验结果可知，铁尾矿渣和玻化微珠的加入，降低生产成本的同时，能制备出具有较高抗压强度和良好保温隔热性能的水泥基多孔材料。
由实施例4、5和对比例1、2的产品性能对比可知，玻化微珠的加入有效地阻止铁尾矿渣的下沉、改善了水泥基多孔材料的整体匀质性、提高了材料的力学性能和保温性能。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料，其特征在于，所述水泥基多孔材料由如下体积份的材料组成：水泥浆体10份，泡沫11-45份，其中，水泥浆体由如下重量份的原料组成：普通硅酸盐水泥100份、硫铝酸盐水泥12-25份、粉煤灰30-65份、铁尾矿渣12-125份、玻化微珠4-12份、水70-124份。
2.如权利要求1所述的加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料，其特征在于，水泥浆体由如下重量份的原料组成：普通硅酸盐水泥100份、硫铝酸盐水泥20-25份、粉煤灰45-65份、铁尾矿渣65-125份、玻化微珠8-12份、水90-124份。
3.如权利要求1所述的加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料，其特征在于，水泥浆体由如下重量份的原料组成：普通硅酸盐水泥100份、硫铝酸盐水泥12-20份、粉煤灰30-45份、铁尾矿渣12-65份、玻化微珠4-8份、水70-90份。
4.如权利要求1所述的加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥为52.5普通硅酸盐水泥，烧失量不大于5.0wt％；
或所述硫铝酸盐水泥为快硬性硫铝酸盐水泥，比表面积不小于350m2/kg；
或所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，烧失量不大于8.0％，活性指数不小于70.0％。
5.如权利要求1所述的加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料，其特征在于，所述铁尾矿渣为工矿企业在选矿过程中选出目的精矿后剩余的矿渣，烘干后，其主要颗粒级配分布为0.08mm-0.63mm。
6.如权利要求1所述的加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料，其特征在于，所述玻化微珠为Ш级玻化微珠，堆积密度＞120kg/m3，体积吸水率≤45％，表面玻化闭孔率≥80％。
7.如权利要求1所述的加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料，其特征在于，泡沫采用发泡倍率为3000的发泡剂制备。
8.一种加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法，其特征在于，包括：
将发泡剂与水混合均匀，形成发泡剂溶液；
向水中加入水泥、粉煤灰、铁尾矿渣、玻化微珠，混合均匀，形成浆体；
将发泡剂溶液打出成型用泡沫；
将部分泡沫加入浆体中，混合均匀；继续加入泡沫并不断搅拌，直至浆体体积达到设定值，制得所需的水泥基多孔材料浆体；
将上述水泥基多孔材料浆体，养护、拆模，即得。
9.如权利要求8所述加入铁尾矿和玻化微珠的水泥基多孔材料的制备方法，其特征在于，所述设定值为测量容重使得湿密度在设计湿密度的±50kg/m3范围内。
10.权利要求9所述的方法制备的水泥基多孔材料。
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